Описание лабораторной установки. Лабораторная работа выполняется на стенде «Основы электроники» (моноблочный вариант)

Лабораторная работа выполняется на стенде «Основы электроники» (моноблочный вариант). На рис. 4.5 приведена электрическая схема эксперимента, а на рис. 4.6 – монтажная схема.

Рис. 4.5. Электрическая схема эксперимента

Для проведения лабораторной работы используется оборудование стенда (см. рис. 4.6): модуль «Источник питания», модуль измерительных приборов, модуль «Диоды и тиристоры», потенциометр RP2 с токоограничительным сопротивлением R2 = 1 кОм, модуль «СИФУ» и осциллограф. В качестве нагрузки используется регулируемый потенциометр R_н.

Источник питания предназначен для подачи на схему управляемого выпрямителя переменного напряжения питания U₂ = 12 В. Постоянное напряжение «+12 В» запитывает систему импульсно-фазового управления (СИФУ). С помощью потенциометра RP2 регулируется формируемый СИФУ угол фазового сдвига α последовательности импульсов, поступающих на управляющий электрод тиристора VS1, и определяющий момент открытия тиристора. Стрелочный миллиамперметр «mA» с пределом измерения «100 мА» используется для измерения выпрямленного тока I_d через нагрузку, цифровой вольтметр PV1 в режиме измерения постоянного напряжения измеряет среднее значение выпрямленного напряжения U_dα на выходе схемы выпрямления. Вольтметр PV2 используется для измерения питания «~ 12 В».

В исследуемом выпрямителе в качестве управляемого электронного ключа используется тиристор, представляющий собой четырехслойный полупроводниковый прибор с тремя выводами: анодный вывод, катодный вывод и вывод управляющего электрода. Перевод такого прибора в проводящее состояние осуществляется при одновременном выполнении двух условий: наличии прямого напряжения и наличии управляющего сигнала.

Расчетное задание

4.1. Изучить темы курса "Тиристоры" и "Управляемые выпрямители" и содержание данной работы. Подготовить ответы на все контрольные вопросы.

4.2. Расчет однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя

4.2.1. Начертить схему выпрямителя, показав силовой трансформатор, тиристор, нагрузку, схему СИФУ.

4.2.2. Произвести расчёт основных параметров управляемого выпрямителя, приняв действующее значение напряжения питания U₂=12В, а сопротивление нагрузки R_d=100 Ом. По формулам табл. 4.1 определить средние значения выпрямленного напряжения U_d0 и тока I_d0 при α = 0, средние значения U_dα и I_dα при α, заданном в табл. 4.2, максимальные значения прямого U_аmax и обратного U_вmax напряжений. Полученные значения занести в табл. 4.3.

4.2.3. Рассчитать и построить внешние характеристики U_dα =F(I_dα) управляемого выпрямителя при α = 0 и при α = α_i, заданном в табл. 4.2.

Внешняя характеристика рассчитывается по уравнению

U_dα = U_dαix - R_трI_d – U_пр,

где U_пр = 1В – падение напряжения на открытом тиристоре,

R_тр = 10 Ом – активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора,

U_dαix – среднее значение выпрямленного напряжения на холостом ходу при заданном угле α_i.

Расчёт выполняется по данным табл.4.3.

Внешняя характеристика строится по двум точкам, характеризующим два режима работы:

1. Режим холостого хода

а) α = 0, I_dα = 0, U_dα = U_d0 = 0,45 U₂.

б) α = α_i, I_d= 0, U_dαix = U_{d0 .}

2. Режим нагрузки.

а) α = 0, I_dα = ; U_dα = U_d0 - R_трI_dα – U_пр,

б) α = α_i, I_dαi = ; U_dαi = U_dαix - R_трI_dαi – U_пр.

Таблица 4.1

Схема	Расчетные соотношения параметров
U2/Ud0	Uda	Ubmax/U2	Uamax/ U2	Ia / Id
Однополупериодная Нулевая	2,22 1,11				0,5

Таблица 4.2

Вариант
a, эл. град

Таблица 4.3

Параметр	Rd, Ом	U2, В	U2m, В	Ubmax, В	Ud0, В	Id0, мА	Udα, В	Idα, мА	Ubmax, В	Uаmax, В
Расчёт
Эксперимент

4.3. Расчет однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с нулевым выводом

4.3.1. Начертить схему выпрямителя, показав силовой трансформатор, блок тиристоров, нагрузку, схему СИФУ.

4.3.2. Определить по формулам табл. 4.1 при U_2a=U_2b=12 В среднее значение выпрямленного напряжения U_d0, среднее значение тока I_d0 тиристора при α = 0 и сопротивлении нагрузки R_d = 100 Ом; средние значения U_dα и I_dα при α, заданном в табл. 4.2, максимальные значения обратного и прямого напряжений U_{b max} и U_{a max}.

Полученные значения занести в таблицу 4.4.

Таблица 4.4

U2,В	Ud0,В	Id0,мА	Ub max, В	Ua max, В	Udα, В	Idα, мА

4.3.3. Построить по результатам расчета п. 4.3.2, совместив по оси времени, временные диаграммы напряжений на вторичной стороне трансформатора u_2a и u_2b, напряжений u_y1 и u_y2 на управляющих электродах тиристора, выпрямленного напряжения u_da и напряжения u_v2 на тиристоре VS2 при угле a, заданном в табл. 4.2. Нанести на временных диаграммах уровень среднего значения U_da.

4.3.4. Рассчитать и построить регулировочную характеристику U_da=ƒ(a) для активной нагрузки при U₂=12 В.

Экспериментальная часть

В лабораторной работе исследуется работа однополупериодного управляемого выпрямителя.

5.1. Начертить электрическую схему исследуемой установки (см. рис. 4.5) .

5.2. Для проведения экспериментальных исследований собрать монтажную схему по рис. 4.6, используя электрическую схему эксперимента (см. рис. 4.5). Потенциометр нагрузки R_н перевести в положение 0, что соответствует величине R_н = 100 Ом. Предъявить схему для проверки преподавателю.

Рис. 4.6. Монтажная схема эксперимента.

5.3. Исследование управляемого выпрямителя при α=0

Включить электропитание стенда и осциллографа. Включить первый канал осциллографа и установить синхронизацию от сети. Включить модуль управляемого выпрямителя (выключатель «Сеть»). Убедиться в работоспособности установки. Изучить влияние угла управления на выпрямленное напряжение u_da и определить возможный диапазон изменения угла управления α. Для этого подключить входной кабель осциллографа к сопротивлению нагрузки (клеммы Х26 и X25) и регулировать угол управления α, изменяя напряжение U_вх СИФУ с помощью потенциометра RP2, наблюдать изменение формы выходного напряжения. Угол управления aопределять при помощи осциллографа. Пример определения угла a показан на рис. 4.7. Определив масштаб длительности в угловых единицах по формуле m_a=180⁰/N_г, где N_г − число делений по горизонтали, соответствующее 180⁰, угол управления определить по выражению a=N_a∙m_a, где N_a число делений по горизонтали, соответствующее углу a.

Из представленной на рис. 4.7 осциллограммы выпрямленного напряжения следует, что N_г=4 дел., N_a=1 дел., m_a=180/4=45 эл.град./дел., Следовательно, угол управления a=m_α N_α = 45х1=45 эл.град.

Рис. 4.7. Осциллограмма выпрямленного напряжения на нагрузке

Установить потенциометром RP2 угол управления α = 0. Вольтметр PV2 в режиме измерения переменного напряжения подключить к клеммам «┴» и «~12В» источника питания и измерить напряжение U₂. Вольтметром PV1 измерить напряжение на нагрузке U_d0, а миллиамперметром – ток I_d0.

Подключить осциллограф к соответствующим элементам схемы и зарисовать в масштабе осциллограммы при α = 0 (см. рис. 4.2 и 4.3):

– напряжения питания U₂;

– управляющего сигнала U_у;

– выпрямленного напряжения U_d;

– напряжения на тиристоре U_v.

По осциллограммам определить амплитуду U_2m напряжения питания на тиристоре U_{b max}. Эти параметры, а также измеренные значения U₂, U_d0 и I_d0 занести в табл. 4.3 в графу «Эксперимент».

5.4. Исследование управляемого выпрямителя при заданном угле α

Установить потенциометром RP2 по экрану осциллографа заданный угол управления α_i (см. табл. 4.2). Вольтметром PV1 измерить выпрямленное напряжение на нагрузке U_dα, а миллиамперметром – ток I_dα.

Подключить осциллограф к соответствующим элементам схемы и зарисовать в масштабе осциллограммы при α = α_i (см. табл. 4.2):

– управляющего сигнала U_у;

– выпрямленного напряжения U_d;

– напряжения на тиристоре U_v.

На осциллограмме выпрямленного напряжения указать уровень среднего значения выпрямленного напряженияU_da. На осциллограмме напряжения на тиристоре указать максимальное обратное напряжение U_b.max и прямое напряжение U_{а max} и определить их значения. Полученные параметры U_dα, I_dα, U_bmax и U_аmax занести в табл. 4.3 в графу «Эксперимент».

5.5. Снятие регулировочной характеристики управляемого выпрямителя

Потенциометром RP2 по экрану осциллографа устанавливать углы управления α в диапазоне от α = 0 до α = 180^о. При этомизмерять значения выходного постоянного напряжения U_da при каждом установленном значении угла управления a. Величину угла управления α оценивать по осциллограмме. Результаты измерений занести в табл. 4.5.

Таблица 4.5

a, эл. град.
Uda , В

По полученным данным построить регулировочную характеристику U_dα = f(Idα).

5.6. Снятие внешних характеристик управляемого выпрямителя

Внешние характеристики U_da = ƒ(I_da) снять при углах управления α=0 и α=α_i. Для этого потенциометром нагрузки R_н изменять величину тока I_da от минимального до максимального значения. Результаты измерений занести в табл. 4.6.

Таблица 4.6

a=0	Ida ,мА
Uda , В
a1=	Ida ,мА
Uda , В

Построить полученные внешние характеристики в одной системе координат с расчётными внешними характеристиками. Объяснить, почему увеличиваются потери напряжения в выпрямителе при увеличении потребляемого тока I_d.

Содержание отчета

6.1. Наименование и цель работы.

6.2. Предварительное расчетное задание. Принципиальные электрические схемы управляемых выпрямителей, расчетные формулы и результаты расчетов по ним, временные диаграммы напряжений на участках, расчетная регулировочная характеристика нулевой схемы выпрямления. Расчётные внешние характеристики однополупериодной схемы.

6.3. Экспериментальная часть. Осциллограммы напряжений и результаты измерений (табл. 4.3–4.6).

6.4. Сравнить осциллограммы нулевой и однополупериодной схемы, сделать выводы.

6.5. Обработка результатов эксперимента. Экспериментальные регулировочная и внешние характеристики однополупериодной схемы выпрямления и их анализ.

6.6. Выводы о сравнительной оценке временных диаграмм и осциллограммы выпрямленного напряжения, напряжения на тиристоре, расчетной и экспериментальной регулировочных характеристиках, о внешних характеристиках при разных углах регулирования a.

6.7. Перечень используемых приборов.

Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип действия тиристора.

2. Указать условия, при которых тиристор «открывается».

3. Указать основные параметры тиристоров.

4. Начертить вольтамперную характеристику тиристора, указав на ней точки, соответствующие номинальному (повторяющемуся) рабочему напряжению, току утечки и обратному току, номинальному прямому току и току удержания.

5. По каким параметрам выбираются тиристоры для рассматриваемых схем выпрямления?

6. Что такое угол управления a и в каком диапазоне он изменяется для однофазных выпрямителей при активной нагрузке?

7. Почему изменение угла управления a влияет на величину среднего значения выпрямленного напряжения?

8. Как осуществляется в выпрямителях отпирание тиристора?

9. Когда и почему происходит в выпрямителях запирание тиристора?

10.Что такое регулировочная характеристика выпрямителя и как она снимается?

11.Почему при увеличении потребляемого от выпрямителя тока уменьшается среднее значение выпрямленного напряжения?

12.Что такое внешняя характеристика выпрямителя и как она снимается?

13.Объяснить осциллограммы напряжений на нагрузке и на тиристоре для однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямления при 0⁰£a£180⁰.

Библиографический список

1. Касаткин, А.С. Электротехника: учебник для неэлектротехнических специальностей ВУЗов /А.С. Касаткин, М.В. Немцов. — М.:Изд. центр «Академия», 2007. – 542 с.

2. Лачин, В.И. Электроника: учебное пособие /В.И. Лачин, Н.С. Савёлов.— 5-е изд., перераб. и доп. — Ростов н/Д:Феникс, 2005, — 704 с. — (Высшее образование).

3. Григораш, О.В. Электротехника и электроника: учебник для ВУЗов /О.В. Григораш, Г.А. Султанов, Д.А. Нормов. — Ростов н/Д: Феникс; Краснодар: Неоглори, 2008. — 462, [2]с.: ил. — (Высшее образование).